陳 曦，苗啟松，楊參天，閤東東，劉謙敏，解琳琳

(1. 北京市建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100044；2. 北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044；3. 東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 211189)

近年，裝配式預(yù)制混凝土(precast concrete，PC)結(jié)構(gòu)體系被大量應(yīng)用于各類建筑的建造，產(chǎn)生了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。預(yù)制構(gòu)件的連接性能是決定PC 結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵因素，灌漿套筒連接具有施工便捷的特點，且在施工質(zhì)量良好時性能可靠，被廣泛應(yīng)用于PC 框架、剪力墻和框架剪力墻等結(jié)構(gòu)中縱向鋼筋的連接，以期實現(xiàn)“等同現(xiàn)澆”的性能目標(biāo)。

大量學(xué)者提出了各類新型灌漿套筒，并針對灌漿套筒的連接受力性能開展了相關(guān)研究[1?6]。已有研究對象大都設(shè)置為施工質(zhì)量理想的灌漿套筒接頭試件，然而工程中的套筒往往存在兩種典型施工問題：1)灌漿缺陷，主要指灌漿量不達(dá)標(biāo)，如縱向連接時液面高度小于規(guī)范值，導(dǎo)致套筒與鋼筋間粘結(jié)強(qiáng)度不足；2)鋼筋被截斷，灌漿套筒內(nèi)并未插入鋼筋，導(dǎo)致局部鋼筋無連接。

對于灌漿缺陷，部分學(xué)者研究了缺陷對套筒連接性能的影響。鄭清林等[7]和Xu 等[8]通過試驗研究分析了灌漿缺陷對半灌漿套筒拉伸性能的影響。李向民等[9]考慮不同的灌漿缺陷長度，針對適用于3 種鋼筋直徑的全灌漿套筒開展了單調(diào)拉伸試驗研究?？镏酒降萚10]通過單向拉伸、高應(yīng)力反復(fù)拉壓和大變形反復(fù)拉壓試驗研究了灌漿料量對全灌漿套筒連接性能的影響。已有研究結(jié)果均表明，灌漿缺陷對套筒連接性能存在顯著影響，其控制因素為灌漿液面是否達(dá)到規(guī)范值。

在灌漿套筒質(zhì)量檢測和修補(bǔ)方面，大量學(xué)者提出了多種灌漿質(zhì)量檢測方法，如超聲波檢測法[11]、X 射線數(shù)字成像檢測法[12]、預(yù)埋鋼絲拉拔法[13]，然而這些方法對設(shè)備和操作的要求較高，且無法或難以檢測鋼筋是否被截斷。部分地區(qū)采用了鑿取原位套筒后進(jìn)行切割檢測的方法，這種方法會對構(gòu)件造成損傷，檢測后需進(jìn)行修補(bǔ)，工序繁瑣、耗時長?？偟膩碚f，目前暫不存在可靠、無損、高效的灌漿套筒施工質(zhì)量檢測方法，且現(xiàn)有修補(bǔ)方法破損性強(qiáng)、修復(fù)效率低，難以滿足工程高質(zhì)量、高效率建設(shè)需求。

為解決灌漿套筒的施工質(zhì)量檢測和修補(bǔ)的難題，本文提出了一種缺陷可檢修型半灌漿套筒(defect detectable and repairable half grouted sleeve，DDRHGS)，旨在實現(xiàn)套筒施工質(zhì)量問題的檢測和灌漿缺陷的修補(bǔ)。如圖1 所示，該套筒主要用于預(yù)制構(gòu)件間豎向鋼筋的連接，其主要特征是在傳統(tǒng)半灌漿套筒的基礎(chǔ)上增加了檢修孔，結(jié)合內(nèi)成像設(shè)備和基于圖像的缺陷率檢測方法可實現(xiàn)灌漿套筒灌漿質(zhì)量的檢修，同時也可完成鋼筋是否截斷的檢測，具體而言：

圖1 DDRHGS 構(gòu)造檢測修補(bǔ)原理Fig. 1 Defect detect and repair mechanism of DDRHGS sleeve

1)檢測功能。在初次灌漿后，將內(nèi)成像設(shè)備探頭通過檢修孔插入套筒內(nèi)，套筒在出漿孔底部高度處(預(yù)期液面高度處)設(shè)置一條凸肋作為判定灌漿是否存在缺陷的參照線，同時在檢修孔底部高度處設(shè)置一條凸肋作為參考線用于確定實際液面高度，基于內(nèi)鏡成像可判定實際液面高度及其缺陷率(實際液面高度與預(yù)期高度的比值)。

2)灌漿缺陷修補(bǔ)功能。若檢測結(jié)果表明存在液面高度不足，則通過檢修孔注射修補(bǔ)材料至預(yù)期高度，完成對套筒灌漿缺陷的修補(bǔ)。

DDRHGS 的檢測和修補(bǔ)功能可行性強(qiáng)，施工現(xiàn)場操作簡便，在首次灌漿前封堵檢修孔，初凝后打開檢修孔即可進(jìn)行檢測和修補(bǔ)。為了驗證DDRHGS連接接頭的拉伸性能和灌漿缺陷修補(bǔ)功能的可靠性，本研究綜合考慮有無灌漿缺陷、灌漿缺陷率、是否修補(bǔ)、修補(bǔ)材料種類、鋼筋直徑等因素影響，設(shè)計并加工制作了26 組78 個DDRHGS 連接接頭試件，開展了單向拉伸加載試驗，分析了DDRHGS 連接接頭試件的破壞模式、承載力和變形能力。本文的研究成果可為灌漿套筒連接裝配式結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量建設(shè)提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

本研究共設(shè)計制作了表1 所示的26 組DDRHGS連接接頭試件，試件編號規(guī)則如圖2 所示。

表1 試件主要參數(shù)Table 1 Parameters of specimens

圖2 試驗試件編號規(guī)則Fig. 2 Numbering rule of test specimens

試驗試件包括以下3 類：

1)無缺陷試件。該類試件灌漿飽滿，是試驗的對比組試件。

2)灌漿缺陷試件。為了研究不同灌漿缺陷率對套筒連接拉伸性能的影響，設(shè)計了4 種灌漿缺陷率(15%、30%、45%和60%)的接頭試件，其中灌漿缺陷率為實際灌漿液面高度與預(yù)期灌漿液面高度(圖3 中l(wèi)0)的比值。制作該類構(gòu)件時，根據(jù)缺陷率計算實際灌漿量，由于單個試件灌漿質(zhì)量易控制，因此灌漿液面可達(dá)到預(yù)期高度，內(nèi)鏡檢測也表明各試件均達(dá)到了預(yù)期高度。

3)灌漿缺陷修補(bǔ)試件。為了研究修補(bǔ)后連接試件的拉伸性能，驗證DDRHGS 的修補(bǔ)功能，并探究初次灌漿缺陷率對修補(bǔ)效果的影響，設(shè)計了4 種初次灌漿缺陷率(15%、30%、45%和60%)的灌漿缺陷修補(bǔ)試件，各試件均修補(bǔ)至預(yù)期液面高度。同時，為了對比分析不同修補(bǔ)材料對修補(bǔ)效果的影響，分別采用同批次灌漿料和植筋膠兩種材料修補(bǔ)的試件。

本文在此選擇了兩種典型直徑的鋼筋：一種為常用于剪力墻構(gòu)件的12 mm 直徑鋼筋；另一種為常用于框架柱構(gòu)件的20 mm 直徑鋼筋。用以研究不同鋼筋直徑對DDRHGS 性能的影響，連接兩種直徑鋼筋的灌漿套筒幾何尺寸如圖3 和表2 所示。

圖3 DDRHGS 試件幾何尺寸圖Fig. 3 Dimension of test specimens

表2 套筒試件尺寸參數(shù) /mmTable 2 Geometric properties of test specimens

綜上所述，本研究綜合考慮有無灌漿缺陷、灌漿缺陷率、是否修補(bǔ)、修補(bǔ)材料種類、鋼筋直徑等因素影響，系統(tǒng)研究缺陷可檢修型半灌漿套筒連接的拉伸性能。為考慮試件的離散性，各組試件分別制作了3 個試件，形成了2 組6 個無缺陷試件、8 組24 個灌漿缺陷試件和16 組48 個灌漿缺陷修補(bǔ)試件，共26 組78 個試件。

為模擬實際工程應(yīng)用情景，無缺陷試件和灌漿缺陷試件在室溫下養(yǎng)護(hù)28 d。灌漿缺陷修補(bǔ)試件在首次灌漿初凝后進(jìn)行修補(bǔ)作業(yè)，隨后養(yǎng)護(hù)28 d。

1.2 材料性能

接頭試件DDRHGS 采用45#鋼材制作，屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為355 MPa。鋼筋牌號為HRB400，材性試驗結(jié)果見表3。采用6 個40 mm×40 mm×160 mm棱柱體試塊(JG/T 408?2013[14])測得的灌漿料抗壓強(qiáng)度平均值為76.8 MPa。植筋膠為環(huán)氧樹脂植筋膠，采用5 個10 mm×10 mm×15 mm 棱柱體試塊(GB/T 2567?2008[15])測得的抗壓強(qiáng)度平均值為103 MPa。12 mm 和20 mm 直徑鋼筋的屈服荷載分別為51.11 kN 和141.28 kN，極限荷載分別為69.90 kN 和208.95 kN。

表3 鋼筋力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of reinforcements

1.3 加載和量測方案

DDRHGS 接頭試件采用200t 萬能試驗機(jī)進(jìn)行單向拉伸加載試驗，試驗裝置如圖4 所示。加載速率為1.0 MPa/s。試驗全程通過DH 3816N 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時監(jiān)測記錄試驗機(jī)荷載和試件兩端的相對位移。

圖4 試驗加載裝置Fig. 4 Test setup

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 實驗現(xiàn)象與破壞模式

試驗中DDRHGS 接頭試件出現(xiàn)了2 種破壞模式，分別是鋼筋拉斷破壞和鋼筋滑移破壞，如圖5所示。根據(jù)《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ 355?2015)[16]，灌漿套筒連接接頭的合理破壞模式應(yīng)為連接接頭外鋼筋拉斷。具有這種破壞模式的套筒連接可以充分利用鋼筋的材料強(qiáng)度，變形能力強(qiáng)，且極限強(qiáng)度變異性小，可以保證連接的可靠性。而鋼筋滑移破壞發(fā)生時，鋼筋尚未拉斷，難以保證鋼筋連接的可靠性。表4 列出了各試件的破壞模式，從表中可以看出：

圖5 試件破壞模式Fig. 5 Damage modes of test specimen

表4 主要試驗結(jié)果(各組平行試件均值)Table 4 Summary of test results (average value of each group of parallel specimens)

1)無缺陷試件。均為鋼筋拉斷破壞。說明本文提出的DDRHGS 接頭試件在灌漿飽滿時具有合理的破壞模式。

2)灌漿缺陷試件。缺陷率為15%和30%的試件均為鋼筋拉斷破壞；缺陷率為45%的試件中，僅有1 個直徑為12 mm 的試件為鋼筋拉斷破壞，其余5 個試件均為鋼筋滑移破壞；缺陷率為60%的試件均為鋼筋滑移破壞。因此，灌漿缺陷率對DDRHGS 連接拉伸性能具有顯著影響，較高的缺陷率會導(dǎo)致鋼筋滑移破壞。根據(jù)本研究的試驗，對于直徑為12 mm 和20 mm 的鋼筋，保證破壞模式為鋼筋拉斷的灌漿缺陷率不宜超過30%。

3)灌漿缺陷修補(bǔ)試件。均為鋼筋拉斷破壞。說明本文提出的DDRHGS 在灌漿缺陷修補(bǔ)后，接頭試件呈現(xiàn)出鋼筋拉斷破壞模式，修補(bǔ)材料和初次灌漿的缺陷率對修補(bǔ)后的破壞模式基本沒有影響。

2.2 荷載-位移曲線

無缺陷試件與各組試件的荷載-位移曲線對比如圖6～圖8 所示。各組的3 個平行試件在破壞模式一致時，荷載-位移曲線接近且具有一致的特征，本文在此給出其中一條曲線用于對比。對于直徑為12 mm、缺陷率為45%且未修補(bǔ)的試件，由于出現(xiàn)了兩種不同的破壞模式，本文在此給出兩條曲線。

無缺陷試件在試驗中均為鋼筋拉斷破壞模式，因此，其荷載-位移曲線與典型的鋼筋拉伸荷載-位移曲線相似。

缺陷率為15%和30%的試件與無缺陷試件整體差別不大。對于缺陷率為45%、直徑為12 mm的構(gòu)件，僅一個構(gòu)件發(fā)生了鋼筋拉斷破壞，其曲線與無缺陷鋼筋基本一致，其余兩個試件在較大位移下(約60 mm)時發(fā)生滑移破壞，其變形能力約為無缺陷試件的80%。對于缺陷率為45%、直徑為20 mm 的構(gòu)件，均在40 mm 左右發(fā)生了滑移破壞，小于12 mm 直徑試件的破壞位移，其變形能力約為無缺陷試件的54%。

對于缺陷率為60%的試件，其破壞模式均為鋼筋滑移破壞，從圖6 中可以看出，發(fā)生滑移破壞的試件(60%缺陷率試件和絕大部分45%缺陷率試件)的荷載-位移曲線與無缺陷試件存在顯著區(qū)別。具體而言，荷載-位移曲線的彈性段、屈服段和強(qiáng)化段的前期與無缺陷試件較為一致。在強(qiáng)化段，鋼筋強(qiáng)度隨位移增大而提高，當(dāng)強(qiáng)化到一定程度導(dǎo)致拉力超過了鋼筋與灌漿料之間的粘結(jié)力，鋼筋被拔出，試件承載力降低。該類試件峰值承載力對應(yīng)的位移(如60%缺陷率試件位移均為20 mm 左右)小于無缺陷試件的相應(yīng)位移(約為74 mm 左右)。由于在鋼筋拔出的過程中鋼筋與灌漿料之間始終存在一定的粘結(jié)強(qiáng)度，曲線下降段相對平緩，與無缺陷試件的曲線陡降段具有顯著區(qū)別。

圖6 無缺陷試件與灌漿缺陷試件荷載-位移曲線對比Fig. 6 Comparison of the load-deformation curves of nondefect specimens and grouting defected specimens

對比缺陷率45%和60%組試件可以看出，缺陷率為60%的試件的變形和承載力顯著小于缺陷率為45%的試件。在低缺陷率下鋼筋直徑對于變形能力影響較大，在高缺陷率下鋼筋直徑影響則相對較小。

灌漿缺陷修補(bǔ)試件與無缺陷試件荷載-位移曲線對比如圖7 和圖8 所示。灌漿缺陷修補(bǔ)試件的破壞模式均為鋼筋拉斷破壞，其荷載-位移曲線與無缺陷試件基本一致，驗證了本文所提出的DDRHGS修補(bǔ)功能的可靠性。同時值得注意的是，修補(bǔ)材料和初次灌漿的缺陷率對荷載-位移曲線的影響基本可以忽略。

圖7 無缺陷試件與灌漿料修補(bǔ)缺陷試件荷載-位移曲線對比Fig. 7 Comparison of the load-deformation curves of nondefect specimens and grout-repaired specimens

圖8 無缺陷試件與植筋膠修補(bǔ)缺陷試件荷載-位移曲線對比Fig. 8 Comparison of the load-deformation curves of nondefect specimens and epoxy-repaired specimens

2.3 承載力

《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ 355?2015)[16]對灌漿套筒的連接接頭的承載力性能的要求如下：

1)屈服強(qiáng)度比Ry。接頭試件的屈服強(qiáng)度fy不應(yīng)小于連接鋼筋的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fsyk，即：

2)抗拉強(qiáng)度比Rs。接頭試件的抗拉強(qiáng)度fu不應(yīng)小于連接鋼筋的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fstk，即：

表4 和圖9 中列出了各組試件拉伸試驗中屈服荷載Py、峰值荷載Pu、抗拉強(qiáng)度比Rs和屈服強(qiáng)度比Ry的平均值。本節(jié)具體分析DDRHGS 接頭試件的承載力性能和影響因素。

圖9 各組試件抗拉強(qiáng)度比、屈服強(qiáng)度比和延性系數(shù)Fig. 9 Ry, Rs and Rd of test specimens

從表4 和圖9 中可以看出，所有試驗試件的屈服強(qiáng)度比Ry均大于1，滿足規(guī)范要求。相同鋼筋直徑的各試件的Ry差異并不顯著，鋼筋直徑為12 mm 的試件的Ry的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差為1.15 和0.03，鋼筋直徑為20 mm 的試件的Ry的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差為1.10 和0.04。這是由于試驗中各試件鋼筋均發(fā)生了屈服，Ry主要取決于鋼筋的實際屈服強(qiáng)度。

無缺陷試件的抗拉強(qiáng)度比Rs為1.18(鋼筋直徑12 mm)和1.20(鋼筋直徑20 mm)，均滿足規(guī)范要求。缺陷率為15%、30%和45%的試件Rs不小于1.16，滿足規(guī)范要求，且與無缺陷試件接近；缺陷率為60%的試件Rs僅為0.87(鋼筋直徑12 mm)和0.88(鋼筋直徑20 mm)，不滿足規(guī)范要求。因此，灌漿缺陷率對DDRHGS 接頭試件的承載力具有顯著的影響，當(dāng)缺陷率較高時，承載力難以滿足規(guī)范要求，應(yīng)予以修補(bǔ)。

灌漿缺陷修補(bǔ)試件的Rs均不小于1.16(鋼筋直徑12 mm)和1.21(鋼筋直徑20 mm)，滿足規(guī)范要求。值得注意的是，初次灌漿缺陷率和修補(bǔ)材料對修補(bǔ)后的Rs并無顯著影響，各灌漿缺陷修補(bǔ)試件Rs的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.19 和0.03。

以上分析表明，灌漿缺陷率達(dá)到60%的DDRHGS 的拉伸承載力難以滿足規(guī)范要求，本文提出的DDRHGS 灌漿套筒在灌漿缺陷修補(bǔ)后承載力性能與無缺陷套筒相當(dāng)，可滿足規(guī)范對承載力的要求。

2.4 變形能力

為保證灌漿套筒連接的節(jié)點的抗震性能，灌漿套筒連接接頭應(yīng)具備一定的變形能力。灌漿套筒接頭的變形能力可通過破壞位移Δu與屈服位移Δy之比，即延性系數(shù)Rd評價。美國規(guī)范ACI 318[17]和文獻(xiàn)[1]建議，Rd應(yīng)不小于4，即：

各組DDRHGS 灌漿套筒接頭試件的Rd如表4和圖9 所示?？梢?，無缺陷試件的Rd為7.22(鋼筋直徑12 mm)和5.65(鋼筋直徑20 mm)，均滿足上述要求，說明本文提出的DDRHGS 灌漿套筒接頭試件在灌漿飽滿時具有理想的變形能力。

灌漿缺陷為15%和30%的試件Rd均大于4，同樣具有理想的變形能力。灌漿缺陷為45%的試件中，直徑為12 mm 的試件Rd為5.60，滿足要求，但直徑為20 mm 的試件Rd僅為3.73，變形能力不足，這是直徑為20 mm 的灌漿套筒缺陷試件在45%缺陷率時的變形能力遠(yuǎn)小于直徑為12 mm的試件。灌漿缺陷為60%的試件Rd僅為1.48(鋼筋直徑12 mm)和1.61(鋼筋直徑20 mm)，結(jié)合圖6可知，這是由于該組試件在屈服后經(jīng)歷了很短的強(qiáng)化段后即發(fā)生鋼筋滑移破壞，變形能力最差。

灌漿缺陷修補(bǔ)試件的Rd均大于4，且與無缺陷試件的Rd基本相當(dāng)。初次灌漿缺陷率和修補(bǔ)材料對修補(bǔ)后的Rd同樣不存在顯著影響。DDRHGS灌漿套筒在灌漿缺陷修補(bǔ)后變形能力與無缺陷套筒相當(dāng)，滿足變形需求。

3 結(jié)論

本研究提出了一種灌漿缺陷可檢修型半灌漿套筒(DDRHGS)，可實現(xiàn)灌漿套筒的施工質(zhì)量檢測和灌漿缺陷的修補(bǔ)。為了驗證新型套筒連接接頭的拉伸性能和修補(bǔ)功能的可靠性，本研究綜合考慮有無灌漿缺陷、灌漿缺陷率、是否修補(bǔ)、修補(bǔ)材料種類、鋼筋直徑等因素影響，設(shè)計制作了26 組78 個DDRHGS 連接接頭試件，開展了單向拉伸加載試驗，分析了DDRHGS 連接接頭試件的破壞模式、承載力和變形能力，主要結(jié)論如下：

(1)直徑為12 mm 和20 mm 的DDRHGS 連接接頭試件在無施工質(zhì)量問題時均具有良好的拉伸性能，呈現(xiàn)鋼筋拉斷破壞模式，其承載能力和變形能力滿足相關(guān)規(guī)范要求。

(2)灌漿缺陷率對DDRHGS 連接接頭試件的拉伸性能影響最為顯著。當(dāng)缺陷率不超過30%時本文研究的試件與無缺陷試件性能基本相當(dāng)；當(dāng)缺陷率為45%時試件整體呈現(xiàn)出鋼筋滑移破壞模式，隨著直徑的增大，變形能力逐漸減??；當(dāng)缺陷率達(dá)到60%時，其破壞模式、承載能力和變形能力均無法滿足相關(guān)規(guī)范要求。

(3) DDRHGS 的灌漿缺陷修補(bǔ)功能整體可靠，試驗中48 個灌漿缺陷修補(bǔ)試件均呈現(xiàn)出鋼筋拉斷破壞模式，且承載能力和變形能力與無缺陷試件基本相當(dāng)。選用同等級灌漿料和植筋膠作為修補(bǔ)材料均可保證修補(bǔ)質(zhì)量。